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直流无刷电机的发展史

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日期:2022-06-23

直流无刷电机(BLDC:Brushless Direct Current Motor),也被称为电子换向电机(ECM或EC电机)或同步直流电机,是一种使用直流电(DC)电源的同步电机。直流无刷电机实质上为采用直流电源输入,并用逆变器变为三相交流电源,带位置反馈的,永磁同步电机。电机有各式各样的种类,而直流无刷电机是当今最理想的调速电机。它集直流电机与交流电机的优点于一身,既有直流电机良好的调整性能,又有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点。因而备受市场欢迎,广泛应用于汽车、家电、工业设备等领域中。

直流无刷电机

直流无刷电机并不是最早的产品,而是在有刷电机的基础上发展而来的,其结构上要比有刷电机结构复杂。直流无刷电机由电机主体和驱动器组成,区别于有刷直流电机,无刷直流电机不使用机械的电刷装置,而是采用方波的自控式永磁同步电机,并以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料。但是,早在上世纪诞生电机的时候,产生的实用性电机却是无刷形式的。1740年代:电机发明开始通过苏格兰本笃会修士和科学家安德鲁·戈登(Andrew Gordon)的研究工作,电机的早期模型首次出现于1740年代。其他科学家,例如迈克尔·法拉第(Michael Faraday)和约瑟夫·亨利(Joseph Henry)继续开发早期的电机,尝试电磁场并发现如何将电能转化为机械能。1832年:首款换向器直流电机的发明,1832年,英国物理学家威廉·斯特金(William Sturgeon)就发明了第一台可以提供足够动力来驱动机械的直流电机,但是由于其低功率输出,应用上受到严重限制。1834年:制造了第一台真正的电机跟随Sturgeon的脚步,美国佛蒙特州的托马斯·达文波特(Thomas Davenport)于1834年发明了第一台正式的电池供电的电机,从而创造了历史。这是第一台具有足够功率执行任务的电动马达,他的发明被用于为小型印刷机提供动力。1837年,托马斯·达文波特和他的妻子艾米莉·达文波特(Emily Davenport)获得了第一项直流电机专利。但他们的电机设计仍然与William Sturgeon的设计面临相同的功率和效率问题的困扰。且不幸的是,由于涉及高昂的电池电力成本,Thomas破产了,该机器也无法在商业上使用。


1886年,第一台可以在可变重量下恒速运行的实用直流电机面世。弗兰克·朱利安·斯普拉格(Frank Julian Sprague)是其发明者,正是这种电机为工业应用中的电机的广泛应用提供了催化剂。值得一提的是,该实用性电机采用无刷形式,即交流式鼠笼式异步电机,它不仅消除了火花、绕组两端的电压损失,可以以恒定速度输送功率。但是,异步电机有许多无法克服的缺陷,以致电机技术发展缓慢。而在无刷电机诞生不久,人们就发明了直流有刷电机。直流有刷电机因机构简单,生产加工容易,维修方便,容易控制,一经问世便成为了当时的主流。


1887年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)发明了交流感应电机,并在一年后成功申请了专利。它不适用于公路车辆,但后来由西屋公司的工程师进行了改装。1892年,设计了第一台实用的感应电机,接着是旋转的条形绕组转子,使该电机适用于汽车应用。

1891年,通用电气开始开发三相感应电机。为了利用绕线转子设计,GE和西屋公司于1896年签署了交叉许可协议。

1955年,美国d.harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利,正式标志着现代直流无刷电机的诞生。但当时没有电机转子位置检测器件,该电机没有起动能力。

得益于1960年代初期固态技术的进步,1962年,TG Wilson和PH Trickey发明了第一台无刷直流(BLDC)电机,他们称之为“带固态换向的直流电机”。无刷电机的关键要素是它不需要物理换向器,因此成为计算机磁盘驱动器,机器人和飞机的最流行选择。他们利用了霍尔元件来检测转子位置并控制绕组电流换相,使无刷直流电机达到实用化,但受到晶体管容量的限制,电机功率相对较小。

70年代以来,随着新型功率半导体器件(如GTR、MOSFET、IGBT、IPM)相继出现,计算机控制技术(单片机、DSP、新的控制理论)的快速发展,以及高性能稀土永磁材料(如钐钴、钕铁硼)的问世,无刷直流电机得到快速发展,容量不断增大。之后,随着1978年mac经典直流无刷电机及其驱动器的推出,以及80年代方波无刷电机和正弦波直流无刷电机的研发,无刷电机真正开始进入实用阶段,并且得到快速发展。


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